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Paquetes planos sin terminales , como los paquetes planos cuádruples sin terminales ( QFN ).y los encapsulados planos duales sin plomo ( DFN ) conectan física y eléctricamente los circuitos integrados a las placas de circuitos impresos . Los encapsulados planos sin plomo, también conocidos como micro leadframe (MLF) y SON (small-outline no lead), son una tecnología de montaje superficial , una de las varias tecnologías de encapsulado que conectan los CI a las superficies de las PCB sin agujeros pasantes . El encapsulado plano sin plomo es un encapsulado plástico de escala cercana al chip hecho con un sustrato de marco de plomo de cobre planar . Las almohadillas perimetrales en la parte inferior del encapsulado proporcionan conexiones eléctricas a la PCB . [ 1 ] Los encapsulados planos sin plomo generalmente, pero no siempre, incluyen una almohadilla conductora térmica expuesta para mejorar la transferencia de calor fuera del CI (hacia la PCB). La transferencia de calor puede facilitarse aún más mediante vías metálicas en la almohadilla térmica. [ 2 ] El encapsulado QFN es similar al encapsulado plano cuádruple (QFP) y a una matriz de rejilla de bolas (BGA).
Sección transversal plana sin plomo
La figura muestra la sección transversal de un paquete plano sin plomo con un marco de plomo y unión de alambre . Hay dos tipos de diseños de cuerpo, individualización por punzonado e individualización por sierra . [ 3 ] La individualización por sierra corta un conjunto grande de paquetes en partes. En la individualización por punzonado, un solo paquete se moldea con forma. La sección transversal muestra un cuerpo individualizado por sierra con una almohadilla de cabezal térmico adjunta. El marco de plomo está hecho de aleación de cobre y se utiliza un adhesivo conductor térmico para unir el chip de silicio a la almohadilla térmica. El chip de silicio está conectado eléctricamente al marco de plomo mediante alambres de oro de 1 a 2 milésimas de pulgada de diámetro .
Las almohadillas de un paquete individualizado mediante sierra pueden quedar completamente debajo del paquete o pueden doblarse alrededor del borde del mismo.
Diferentes tipos
Son comunes dos tipos de encapsulados QFN: los QFN con cavidad de aire , que incorporan una cavidad de aire en el diseño del encapsulado, y los QFN moldeados en plástico, en los que se minimiza la cantidad de aire en el encapsulado.
Los QFN moldeados en plástico, más económicos, suelen estar limitados a aplicaciones de hasta ~2-3 GHz. Generalmente constan de solo dos partes: un compuesto plástico y un marco de cobre, y no incluyen tapa.
En cambio, el encapsulado QFN de cavidad de aire suele constar de tres partes: un marco de cobre, un cuerpo moldeado en plástico (abierto y no sellado) y una tapa de cerámica o plástico. Generalmente es más caro debido a su construcción y puede utilizarse en aplicaciones de microondas de hasta 20-25 GHz.
Los paquetes QFN pueden tener una sola fila de contactos o una doble fila de contactos.
Ventajas
Este encapsulado ofrece diversas ventajas, como bajo coste [ 4 ] , inductancia reducida en los terminales, un tamaño compacto (casi a escala de chip), perfil delgado y peso reducido. Además, utiliza almohadillas de E/S perimetrales para facilitar el enrutamiento de las pistas de la PCB, y la tecnología de almohadillas de cobre expuestas ofrece un buen rendimiento térmico y eléctrico. Estas características convierten al QFN en una opción ideal para numerosas aplicaciones nuevas donde el tamaño, el peso y el rendimiento térmico y eléctrico son factores importantes.
Desafíos de diseño, fabricación y confiabilidad
Las mejoras en las tecnologías de empaquetado y la miniaturización de componentes suelen generar problemas de diseño, fabricación y fiabilidad nuevos o inesperados. Este ha sido el caso de los encapsulados QFN, especialmente en lo que respecta a su adopción por parte de nuevos fabricantes de equipos originales (OEM) de electrónica no destinada al consumidor .
Diseño y fabricación
Algunas consideraciones clave en el diseño de QFN son el diseño de las almohadillas y las plantillas. En cuanto al diseño de las almohadillas de unión, se pueden adoptar dos enfoques: definido por máscara de soldadura (SMD) o no definido por máscara de soldadura (NSMD). Un enfoque NSMD generalmente conduce a uniones más fiables, ya que la soldadura puede unirse tanto a la parte superior como a los lados de la almohadilla de cobre. [ 5 ] El proceso de grabado del cobre también suele tener un control más estricto que el proceso de enmascaramiento de soldadura, lo que resulta en uniones más consistentes. [ 6 ] Esto puede afectar el rendimiento térmico y eléctrico de las uniones, por lo que puede ser útil consultar al fabricante del paquete para obtener parámetros de rendimiento óptimos. Las almohadillas SMD se pueden utilizar para reducir las posibilidades de puenteo de soldadura ; sin embargo, esto puede afectar la fiabilidad general de las uniones. El diseño de la plantilla es otro parámetro clave en el proceso de diseño de QFN. Un diseño de apertura y un grosor de plantilla adecuados pueden ayudar a producir uniones más consistentes (es decir, mínima formación de huecos, desgasificación y piezas flotantes) con el grosor adecuado, lo que conduce a una mayor fiabilidad. [ 7 ]
También existen problemas en el proceso de fabricación. Para componentes QFN de mayor tamaño, la absorción de humedad durante el reflujo de soldadura puede ser un problema. Si se absorbe una gran cantidad de humedad en el encapsulado, el calentamiento durante el reflujo puede provocar una deformación excesiva del componente. Esto suele resultar en que las esquinas del componente se separen de la placa de circuito impreso , causando una formación de unión incorrecta. Para reducir el riesgo de problemas de deformación durante el reflujo, se recomienda un nivel de sensibilidad a la humedad de 3 o superior. [ 8 ] Otros problemas en la fabricación de QFN incluyen: flotación de la pieza debido a un exceso de pasta de soldadura bajo la almohadilla térmica central, grandes huecos de soldadura, características de retrabajo deficientes y optimización del perfil de reflujo de soldadura. [ 9 ]
Fiabilidad
El diseño de los encapsulados de componentes suele estar impulsado por el mercado de la electrónica de consumo, prestando menos atención a industrias que requieren mayor fiabilidad, como la automotriz y la aeronáutica. Por lo tanto, puede resultar difícil integrar familias de encapsulados de componentes, como el QFN, en entornos de alta fiabilidad. Se sabe que los componentes QFN son susceptibles a problemas de fatiga de soldadura , especialmente fatiga termomecánica debido a ciclos térmicos . La menor separación entre terminales en los encapsulados QFN puede provocar mayores tensiones termomecánicas debido a la diferencia en el coeficiente de expansión térmica (CTE) en comparación con los encapsulados con terminales. Por ejemplo, en condiciones de ciclos térmicos acelerados entre -40 °C y 125 °C, varios componentes de encapsulado plano cuádruple (QFP) pueden durar más de 10 000 ciclos térmicos, mientras que los componentes QFN tienden a fallar alrededor de los 1 000-3 000 ciclos. [ 8 ]
Históricamente, las pruebas de confiabilidad se han basado principalmente en JEDEC , [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] sin embargo, esto se ha centrado principalmente en el chip y las interconexiones de primer nivel. IPC -9071A [ 14 ] intentó abordar esto centrándose en las interconexiones de segundo nivel (es decir, el paquete al sustrato de PCB). El desafío con este estándar es que ha sido más adoptado por los OEM que por los fabricantes de componentes, quienes tienden a verlo como un problema específico de la aplicación. Como resultado, se han realizado muchas pruebas experimentales y análisis de elementos finitos en varias variantes de paquetes QFN para caracterizar su confiabilidad y comportamiento de fatiga de soldadura . [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]
Serebreni et al. [ 22 ] propusieron un modelo semianalítico para evaluar la fiabilidad de las uniones de soldadura QFN bajo ciclos térmicos. Este modelo genera propiedades mecánicas efectivas para el encapsulado QFN y calcula la tensión y la deformación por cizallamiento utilizando un modelo propuesto por Chen y Nelson. [ 23 ] La densidad de energía de deformación disipada se determina a partir de estos valores y se utiliza para predecir los ciclos característicos hasta la falla utilizando una curva de Weibull de 2 parámetros .
Comparación con otros paquetes
El encapsulado QFN es similar al encapsulado plano cuádruple , pero los terminales no sobresalen de los laterales. Por lo tanto, resulta difícil soldar manualmente un encapsulado QFN, inspeccionar la calidad de las uniones de soldadura o sondear los terminales.
Variantes
Los distintos fabricantes utilizan nombres diferentes para este encapsulado: ML (micro-leadframe) frente a FN (flat no-lead), además existen versiones con almohadillas en los cuatro lados (quad) y almohadillas solo en dos lados (dual), con un grosor que varía entre 0,9 y 1,0 mm para encapsulados normales y 0,4 mm para los extremadamente delgados. Las abreviaturas incluyen:
El encapsulado de marco de plomo micro (MLP) es una familia de encapsulados QFN para circuitos integrados , utilizados en diseños de circuitos electrónicos de montaje superficial . Está disponible en tres versiones: MLPQ (Q significa quad ), MLPM (M significa micro ) y MLPD (D significa dual ). Estos encapsulados suelen tener una almohadilla de fijación del chip expuesta para mejorar el rendimiento térmico. Su construcción es similar a la de los encapsulados a escala de chip (CSP). Los MLPD están diseñados para ofrecer una alternativa compatible en cuanto a huella a los encapsulados de circuitos integrados de contorno pequeño (SOIC).
El encapsulado Micro Leadframe (MLF) es un encapsulado plástico tipo CSP con un sustrato de cobre. Este encapsulado utiliza contactos perimetrales en la parte inferior para proporcionar contacto eléctrico a la placa de circuito impreso . La almohadilla de fijación del chip queda expuesta en la superficie inferior del encapsulado para facilitar una disipación de calor eficiente al soldarlo directamente a la placa. Esto también permite una conexión a tierra estable mediante conexiones descendentes o mediante conexión eléctrica a través de un material conductor de fijación del chip.
Una variante de diseño más reciente que permite conexiones de mayor densidad es el encapsulado DRMLF ( Dual Row Micro Lead Frame ). Se trata de un encapsulado MLF con dos filas de contactos para dispositivos que requieren hasta 164 pines de entrada/salida. Entre sus aplicaciones típicas se incluyen discos duros, controladores USB y redes LAN inalámbricas.
Véase también
- Lista de tipos de embalaje y empaques para chips portadores de chips
- Paquete plano cuádruple
Referencias
- ↑ Requisitos de diseño para contornos de productos de estado sólido y productos relacionados, PUBLICACIÓN JEDEC 95, GUÍA DE DISEÑO 4.23
- ↑ Bonnie C. Baker, Paquetes más pequeños = Mayores desafíos térmicos , Microchip Technology Inc.
- ↑ "Quad Flat Pack No-Lead (QFN)" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 28 de agosto de 2006. Consultado el 26 de septiembre de 2008 .
- ↑ "Guía de encapsulados QFN: tamaños, almohadilla expuesta, marco de conexión, número de pines, ensamblaje y coste - AnySilicon" . 13 de marzo de 2016. Consultado el 22 de mayo de 2026 .
- ↑ "Retos de fabricación y fiabilidad con QFN" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 21/10/2017.
- ↑ "Directrices de ensamblaje y diseño de PCB para encapsulados QFN" . Archivado del original el 12 de febrero de 2015.
- ↑ "Comprender la importancia crítica del diseño e implementación de la apertura de la plantilla para un encapsulado QFN" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 21/10/2017.
- 1 2 "Los desafíos de confiabilidad del empaquetado QFN" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 21/10/2017.
- ↑ http://www.aimsolder.com/sites/default/files/overcoming_the_challenges_of_the_qfn_package_rev_2013.pdf , Seelig, K., y Pigeon, K. "Superando los desafíos del paquete QFN", Actas de SMTAI, octubre de 2011.
- ↑ JEDEC JESD22-A104D, mayo de 2005, Ciclo de temperatura
- ↑ JEDEC JESD22-A105C, enero de 2011, Ciclo de potencia y temperatura
- ↑ JEDEC JESD22-A106B, junio de 2004, Choque térmico
- ↑ JEDEC JESD22B113, marzo de 2006, Método de prueba de flexión cíclica a nivel de placa para la caracterización de la fiabilidad de interconexión de componentes para productos electrónicos portátiles
- ↑ IPC IPC-9701A, febrero de 2006, Métodos de prueba de rendimiento y requisitos de calificación para conexiones de soldadura de montaje superficial
- ↑ Syed, A. y Kang, W. "Consideraciones sobre el ensamblaje y la fiabilidad a nivel de placa para encapsulados tipo QFN." Conferencia Internacional SMTA, 2003
- ↑ Yan Tee, T., et al. "Modelado y pruebas exhaustivas de la fiabilidad de las uniones de soldadura a nivel de placa de los encapsulados QFN y PowerQFN." Microelectronics Reliability 43 (2003): 1329–1338.
- ↑ Vianco, P. y Neilsen, MK "Fatiga termomecánica de un paquete de plástico cuádruple plano sin plomo (PQFN) de 56 E/S." Conferencia Internacional SMTA, 2015.
- ↑ Wilde, J., y Zukowski, E. "Análisis comparativo de la fiabilidad de μBGA y QFN". 8.ª Conferencia Internacional sobre Simulación y Experimentos Térmicos, Mecánicos y Multifísicos en Microelectrónica y Microsistemas, IEEE, 2007.
- ↑ De Vries, J., et al. "Fiabilidad de las uniones de soldadura de los paquetes HVQFN sometidos a ciclos térmicos." Microelectronics Reliability 49 (2009): 331-339.
- ↑ 17. Li, L. et al. "Fiabilidad a nivel de placa y proceso de ensamblaje de paquetes QFN avanzados." Conferencia Internacional SMTA, 2012.
- ↑ Birzer, C., et al. "Investigaciones de confiabilidad de paquetes QFN sin plomo hasta el final de su vida útil con pruebas de estrés a nivel de placa específicas para cada aplicación". Conferencia sobre componentes y tecnología electrónica, 2006.
- ↑ Serebreni, M., Blattau, N., Sharon, G., Hillman, C., Mccluskey, P. "Modelo semianalítico de vida útil por fatiga para la evaluación de la confiabilidad de las uniones de soldadura en paquetes qfn bajo ciclos térmicos". SMTA ICSR, 2017. Toronto, ON.
- ↑ Chen, WT y CW Nelson. "Esfuerzo térmico en uniones adhesivas". IBM Journal of Research and Development 23.2 (1979): 179-188.
Enlaces externos
- Notas de montaje de la placa para encapsulados QFN
- MicroLeadFrame® de Amkor Technology
- Tecnología de protección de bordes para encapsulados QFN de Amkor Technology
- [Reseña de ChipScale archivada el 30 de septiembre de 2011 en la revista Wayback Machine , julio-agosto de 2000.]
- Guía del usuario del paquete QFN de Linear Technology
- portadores de chips
